汽车交流发电机噪声模拟计算方法
【专利摘要】本发明涉及一种汽车交流发电机噪声模拟计算方法,包括初始化基础数据，模拟计算区域设置及网格划分，采用基于有限体积法的商业CFD软件Fluent计算特定转速下发电机的非定常气动特性方程组，正确性验证，验证模拟数值计算结果的正确性,对该型交流发电机气动性能和噪声进行试验测量，根据模拟数值计算及实验实际验证的比对结果，进行交流发电机降噪结构优化设计。本发明研究分析主要气动噪声源部位的远场辐射气动噪声特性、交流发电机气动噪声预测的不同湍流模型、不同工况下的气动噪声时频特性等。并采用试验研究方法,对交流发电机气动噪声特性进行验证。在此基础上,对交流发电机进行降噪优化设计。
【专利说明】汽车交流发电机噪声模拟计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于汽车降噪领域，具体涉及一种汽车交流发电机噪声模拟计算方法。
【背景技术】
[0002] 电机作为从小型机械到大型机械的动力设备其应用领域极为广泛。随着经济的高 速发展和人民生活水平的提高，汽车的数量近年来飞速增长，车用电机作为汽车上的关键 零部件之一，不仅在数量上、品种上有了很大变化，而且结构上也发生了很大变化。据统 计，每辆普通汽车至少用15台微特电机，高级轿车要用40-50台微特电机，豪华型轿车 则配有70-80台微特电机。目前，世界范围内车用电机已占到微特电机总量的13%左右。
[0003] 车用交流发电机是通过皮带轮连接发动机将机械能转化为电能的装置。交流发电 机在正常旋转状态下，噪声源复杂，主要噪声为机械结构噪声、电磁噪声、稱合噪声（气体 和固体弹性系统相互作用产生的噪声）和气动噪声4部分。其中气动噪声在高速段（6000r/ min以上）一般占主要部分，气动噪声成为汽车交流发电机较突出的噪声组成成分。在一 些较特殊的工况（如启动、停止、高速）下，交流发电机会产生一些高频刺耳的声音，成为 影响舒适性的重要因素，且最难以治理。因此，研究交流发电机气动噪声的特性及降噪方 法具有重要的意义。
[0004] 由于交流发电机内部结构复杂引起内部气流流动复杂，产生强烈的非定常流动， 祸流噪声明显。声源组成的复杂性和噪声源的无法分离，以及使用常规方法难以确定主要 阶次对总噪声的贡献量大小，使得噪声治理针对性差，直接影响交流发电机气动性能和噪 声特性的改进工作。随着转速的提高，气动噪声成为交流发电机噪声中越来越重要的组成 部分，研究交流发电机气动噪声的特性及降噪方法具有重要的意义。
【发明内容】
[0005] 针对交流发电机气动噪声问题，本发明提供一种汽车交流发电机噪声模拟计算 方法，研究分析主要气动噪声源部位的远场辐射气动噪声特性、交流发电机气动噪声预测 的不同湍流模型、不同工况下的气动噪声时频特性等。并采用试验研究方法，对交流发电 机气动噪声特性进行验证。在此基础上，对交流发电机进行降噪优化设计。
[0006] 本发明的技术方案是：一种汽车交流发电机噪声模拟计算方法，包括如下步骤： 步骤一：初始化基础数据，车用交流发电机旋转速度最大设计限值为18000r/min，以前后 端盖轴线方向为特征长度，得到外部流场的雷诺数Re>10e6 ; 步骤二：模拟计算区域设置及网格划分，模拟的交流发电机内外尺寸与的实体相同， 为交流发电机的CFD分析提供了高精度的分析基础，交流发电机表面网格最大尺寸为4mm， 对流体影响明显区域，最大网格尺寸控制在2mm;前后扇叶结构复杂且高速旋转，最大网 格尺寸控制在0. 5mm之内并进行局部加密，忽略和简化交流发电机内部和外部复杂的结构 细节；步骤三：采用基于有限体积法的商业CFD软件Fluent计算特定转速下发电机的非定 常气动特性方程组，数值计算时，为了加快收敛速度，先进行稳态计算，再将稳态结果作 为瞬态的初始条件，直到瞬态计算物理场稳定后，再开始用FW-H方程计算声场并提取声源 信息；步骤四：正确性验证，验证模拟数值计算结果的正确性，对该型交流发电机气动性能 和噪声进行试验测量，包括交流发电机噪声特性试验、各测点声压级检验和频谱检验，比较 模拟数值计算结果和实验实际测量结果，如果误差在可接受范围内，跳至下一步；如果误差 在可接受范围外，则返回步骤二，重新计算；步骤五：根据模拟数值计算及实验实际验证的 比对结果，进行交流发电机降噪结构优化设计。所述步骤二还包括网格无关性验证，两套网 格计算结果偏差在2%之内时，认为计算结果与网格无关。所述步骤三中数值计算方法稳 态计算选用RNG瑞流模型，利用SIMPLE算法求解，连续性方程采用标准格式离散，动量 方程、瑞动能方程和瑞流耗散率方程采用二阶迎风格式离散。所述步骤三中数值计算方法 瞬态计算选用LES瑞流模型，亚格子模型为Smagorinsky-Lilly模型，近壁处采用标准壁 面函数，时间差分格式为二阶隐式，压力速度賴合采用PISO算法进行求解，连续性方程 用PRESTO格式罔散，动量方程用BoundedCentralDifferencing格式离散。所述步骤二 中利用ICEM的script脚本文件实现流场网格的自动划分。
[0007] 本发明有如下积极效果：（1)网格无关性验证为验证模拟计算区域设置及网格划 分是否合理，减少计算量，提高优化设计效率；（2)流场网格的自动划分及空气动力学的自 动计算，实现高转速交流发电机的自动优化，减少重复性的工作。
【具体实施方式】
[0008] 下面通过对实施例的描述，本发明的【具体实施方式】如所涉及的各构件的形状、构 造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方 法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完 整、准确和深入的理解。
[0009] 交流发电机在正常运转状态下，噪声源复杂，前后风扇扇叶流通特性等问题难以 通过实验研究确定，因此我们将采用数值模拟方法，应用CFD分析软件FLUENT对某型车 用交流发电机内外流场气动噪声进行三维动态计算，分析主要噪声源、前后风扇扇叶流通 特性以及主要阶次对总噪声贡献量的大小。我们的研究成果能够为后续交流发电机的气动 性能和噪声特性的改进等问题提供参考和依据。
[0010] 分析研究表明：风扇噪声主要声源是由旋转的扇叶非稳态瑞流流动引起的偶极 子声源。因此，在本专利中噪声声源可认为是由风扇旋转和扇叶拍打空气引起的偶极子声 源。
[0011] 以下为本发明方法的具体流程：步骤一、基础数据初始化； (1)车用交流发电机旋转速度最大设计限值为18000r/min，以前后端盖轴线方向为特 征长度，得到外部流场的雷诺数Re>l〇e6,可见流场处于瑞流状态。
[0012] (2)忽略和简化交流发电机内部和外部复杂的结构细节，如整流器等零件小于 〇. 5mm的散热孔、定子线圈绕组釆用等效栅格简化、忽略小圆知和倒知等并假设零件各部件 表面完全光滑。为保证精度，甜后扇叶小圆角倒角不简化。
[0013] 步骤二、模拟计算区域设置及网格划分； 模拟的交流发电机内外尺寸与的实体基本相同，这为交流发电机的CFD分析提供了高 精度的分析基础。由于LES瑞流模型对网格要求很高，需占用很大计算机内存和很长的计 算时间，在目前技术条件下，要实现精细三维大祸数值模拟比较困难。
[0014] 交流发电机表面网格最大尺寸为4_，特别的，对流体影响明显区域，最大网格尺 寸控制在2mm;前后扇叶结构复杂且高速旋转，最大网格尺寸控制在0.5mm之内并进行局 部加密。
[0015] 交流发电机气动噪声数值模拟分析采用的计算域选为球体，大小是交流发电机 特征长度（发电机轴向最大尺寸）的8倍，能够保证瑞流流场充分发展且球体计算域网格 数量比同尺寸的正方体计算域网格数量少。流体空间分为旋转和静止部分：前风扇、后风 扇和爪极等组件为旋转部分，按照给定转速运动；前端盖、后端盖、定子和整流器等附近流 场为固定部分，计算过程中保持静止。数值计算时，利用滑移网格技术实现前风扇、后风 扇和爪极与端盖、定子和整流器等部件的相对运动。滑移表面相互交界面用"interface对" 来处理旋转部分和静止部分 的交界面。
[0016] 由于转子部位与定子之间气隙径向间距只有I. 5mm，因此在气隙之叫网格最大控 制尺寸设为0. 〇5_。风扇扇叶流体流动区域网格大小最大为0. 5_，这样的网格划分能够 更好的捕捉小尺度減祸瑞流，计算网格截面采用非结构四面体网格，空间网格采用四面体 和三棱柱单元，交流发电机表面采用三角形和四边形单元，并对前后扇叶部位和气隙之间 进行局部网格加密。
[0017] 网格无关性验证； 为验证模拟计算区域设置及网格划分是否合理，减少计算量，提高优化设计效率。
[0018] 数值模拟分析的结果误差来源通常包括：模型误差、离散误差、迭代误差和舍入 误差。在通常计算中，模型误差越接近实际交流发电机越好，但由于交流发电机整流器等 电子设备结构复杂、定子铁芯线圈绕组的等效栅格简化以及转子线圈绕组等的简化都会带 来一定的模型误差；离散误差随网格变细車元增多而减小，而舍入误差却也随离散节点的 增多而增大，计算精度随网格数量的增大并非呈线性提高。另外，网格数量的增多势必增 加迭代收敛的时间，相应的其计算周期加长，可见网格数量并非越多越好。
[0019] 因此，需要寻求一套疏密适中的网格。一般两套网格计算结果偏差在2%之内时， 认为计算结果与网格无关。对本文模型分别釆用三套网格进行了试算，结果见表1。计算 网格经试算分别取总数为779万、1113万、1414万不等，发现网格总数大于1414万时，计 算结果误差小于0.18%，因此，后续计算中，模型网格数目控制在1414万以上。
[0020] 表1网格无关性验证结來
【权利要求】
1. 一种汽车交流发电机噪声模拟计算方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤一：初始化基础数据，车用交流发电机旋转速度最大设计限值为18000r/min，以 前后端盖轴线方向为特征长度，得到外部流场的雷诺数Re>10e6 ; 步骤二：模拟计算区域设置及网格划分，模拟的交流发电机内外尺寸与的实体相同， 为交流发电机的CFD分析提供了高精度的分析基础，交流发电机表面网格最大尺寸为4mm， 对流体影响明显区域，最大网格尺寸控制在2mm;前后扇叶结构复杂且高速旋转，最大网 格尺寸控制在0. 5mm之内并进行局部加密，忽略和简化交流发电机内部和外部复杂的结构 细节； 步骤三：采用基于有限体积法的商业CFD软件Fluent计算特定转速下发电机的非定常 气动特性方程组，数值计算时，为了加快收敛速度，先进行稳态计算，再将稳态结果作为 瞬态的初始条件，直到瞬态计算物理场稳定后，再开始用FW-H方程计算声场并提取声源信 息； 步骤四：正确性验证，验证模拟数值计算结果的正确性，对该型交流发电机气动性能 和噪声进行试验测量，包括交流发电机噪声特性试验、各测点声压级检验和频谱检验，比较 模拟数值计算结果和实验实际测量结果，如果误差在可接受范围内，跳至下一步；如果误差 在可接受范围外，则返回步骤二，重新计算； 步骤五：根据模拟数值计算及实验实际验证的比对结果，进行交流发电机降噪结构优 化设计。
2. 根据权利要求1所述的汽车交流发电机噪声模拟计算方法，其特征在于，所述步骤 二还包括网格无关性验证，两套网格计算结果偏差在2%之内时，认为计算结果与网格无 关。
3. 根据权利要求1所述的汽车交流发电机噪声模拟计算方法，其特征在于，所述步骤 三中数值计算方法稳态计算选用RNG瑞流模型，利用SMPLE算法求解，连续性方程采用 标准格式离散，动量方程、瑞动能方程和瑞流耗散率方程采用二阶迎风格式离散。
4. 根据权利要求3所述的汽车交流发电机噪声模拟计算方法，其特征在于，所述步骤 三中数值计算方法瞬态计算选用LES瑞流模型，亚格子模型为Smagorinsky-Lilly模型， 近壁处采用标准壁面函数，时间差分格式为二阶隐式，压力速度賴合采用PIS0算法进行 求解，连续性方程用PRESTO格式罔散，动量方程用Bounded Central Differencing格式 离散。
5. 根据权利要求1所述的汽车交流发电机噪声模拟计算方法，其特征在于，所述步骤 二中利用ICEM的script脚本文件实现流场网格的自动划分。
【文档编号】G06F17/50GK104361174SQ201410662710
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月19日 优先权日:2014年11月19日
【发明者】许其山, 曾庆平 申请人:芜湖杰诺瑞汽车电器系统有限公司